番茄鏈?zhǔn)郊埨徝缫圃詸C(jī)栽植機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

韓 霞，陳海濤

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319）

育苗移栽技術(shù)可提高作物生長(zhǎng)發(fā)育周期單位面積產(chǎn)量[1-3]，在作物生產(chǎn)中應(yīng)用前景廣闊。

目前，作物多類型移栽機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)試驗(yàn)研究較多[4-6]，Numbu等開(kāi)展甜菜紙缽高速移栽機(jī)上紙缽分離裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[7]，Suzuki等開(kāi)展卷心菜、生菜等蔬菜自動(dòng)移栽機(jī)移栽試驗(yàn)[8]，楊麗等開(kāi)展玉米紙筒苗移栽機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡分析與性能試驗(yàn)[9]，崔巍在分析西紅柿苗物理力學(xué)特性及穴盤(pán)苗物理形態(tài)特征基礎(chǔ)上，開(kāi)展自動(dòng)移栽機(jī)送苗機(jī)構(gòu)試驗(yàn)[10]；周福君等為進(jìn)一步改善玉米缽苗栽植質(zhì)量，優(yōu)化移栽機(jī)圓盤(pán)式栽植機(jī)構(gòu)參數(shù)[11]。相關(guān)研究主要集中于玉米、棉花、甜菜等作物，鏈?zhǔn)郊埨徲绶岩圃苑矫嫜芯旷r有報(bào)道[12-14]。

為此，本研究以鏈?zhǔn)郊埨徝绶岩圃詸C(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，研究其作業(yè)質(zhì)量結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)組合，探究主要參數(shù)對(duì)番茄鏈?zhǔn)郊埨徝缫圃詸C(jī)構(gòu)作業(yè)性能影響，為高速番茄鏈?zhǔn)郊埨徝缫圃詸C(jī)開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 鏈?zhǔn)郊埨徑Y(jié)構(gòu)及原理

通過(guò)鏈?zhǔn)郊埨彿蛛x力和破損率試驗(yàn)及測(cè)定分析，設(shè)計(jì)自動(dòng)移栽鏈?zhǔn)郊埨?，確定育苗用鏈?zhǔn)郊埨徑Y(jié)構(gòu)及其結(jié)合部結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化組合方式，即鏈?zhǔn)郊埨彊M截面最優(yōu)方案為正六邊形成冊(cè)，排列方式為方陣。該結(jié)構(gòu)省去人工供苗和紙缽苗“排隊(duì)”環(huán)節(jié)，可提高供苗速度和移栽機(jī)作業(yè)效率[15]。鏈?zhǔn)郊埨徟帕凶顑?yōu)方案如圖1所示。

1.2 番茄鏈?zhǔn)郊埨徝缫圃栽囼?yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)及原理

番茄鏈?zhǔn)郊埨徝缫圃栽囼?yàn)臺(tái)主要由喂入機(jī)構(gòu)、栽植機(jī)構(gòu)、控制部分和機(jī)架四部分組成，如圖2所示。其中，喂入機(jī)構(gòu)包括秧苗輸送分離裝置、秧苗引導(dǎo)裝置；栽植機(jī)構(gòu)包括導(dǎo)苗筒、開(kāi)溝覆土裝置等；控制部分包括電磁閥、傳感器、電機(jī)等。

圖1 鏈?zhǔn)郊埨徟帕凶顑?yōu)方案Fig.1 Optimal structure of the chain paper pot's arrangement

圖2 番茄缽苗移栽試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of tomato paper-pot seedling transplanting test-bed

其工作原理是移栽試驗(yàn)開(kāi)始前，操作者將栽植裝置安裝在移動(dòng)土槽上方固定機(jī)架上，開(kāi)溝覆土裝置壓在土槽土壤中，將一組鏈?zhǔn)郊埨彿衙绫P(pán)預(yù)先放在盤(pán)架上，使第一排缽苗與位于喂入機(jī)構(gòu)后方引出機(jī)構(gòu)對(duì)齊。工作時(shí)，電機(jī)通過(guò)鏈條驅(qū)動(dòng)傳送帶，土槽在傳送帶牽引下向右運(yùn)動(dòng)。開(kāi)溝裝置隨傳送帶移動(dòng)開(kāi)出栽植溝，缽苗經(jīng)過(guò)引出、輸送、分缽?fù)瓿晌谷脒^(guò)程；缽苗經(jīng)導(dǎo)苗筒下落，最終在覆土裝置配合下完成移栽。栽植裝置不移動(dòng)，通過(guò)移動(dòng)土槽運(yùn)動(dòng)完成移栽作業(yè)，故將移動(dòng)土槽運(yùn)動(dòng)速度作為移栽機(jī)作業(yè)速度。

1.3 番茄鏈?zhǔn)郊埨徝缫圃赃^(guò)程分析

移栽過(guò)程番茄鏈?zhǔn)郊埨徝缰饕?個(gè)階段組成：

①喂苗階段：該階段技術(shù)難點(diǎn)是分苗，鏈?zhǔn)郊埨徳谟行驙顟B(tài)下由引出機(jī)構(gòu)導(dǎo)出，在引出機(jī)構(gòu)作用下將缽苗送至分離機(jī)構(gòu)，在分離作用下完成缽苗分離，最后將分離缽苗依次輸送至栽植機(jī)構(gòu)[16-17]。

圖3 番茄缽苗運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.3 Trajectory of tomato seedling

2 材料與方法

2.1 材料與儀器設(shè)備

試驗(yàn)時(shí)間為2017年8月10～12日。缽體內(nèi)基質(zhì)含水率18%～30%，育苗基質(zhì)選取土質(zhì)肥沃4年以上未施用高殘留除草劑地表土，并將地表土過(guò)篩，試驗(yàn)紙缽為自行研制鏈?zhǔn)郊埨彛埻哺叨葹?5 mm，紙筒平均直徑為48 mm，秧苗高度158 mm。

番茄缽苗移栽試驗(yàn)臺(tái)如圖4所示。栽植機(jī)構(gòu)與試驗(yàn)臺(tái)架固定連接，工作過(guò)程中栽植機(jī)構(gòu)單體固定，傳送帶帶動(dòng)土槽移動(dòng)。按照試驗(yàn)要求，通過(guò)傳感器傳輸信號(hào)，變頻器控制使土槽移動(dòng)速度控制在合理范圍。

圖4 移栽試驗(yàn)臺(tái)Fig.4 Structure of transplanting test-bed

2.2 方法

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)前期研究及預(yù)試驗(yàn)可知，前進(jìn)速度（土槽移動(dòng)速度）、開(kāi)溝器入土深度、覆土鎮(zhèn)壓器夾角對(duì)直立度合格率和株距變異系數(shù)均有較大影響，選取3因素2次正交中心旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法試驗(yàn)[18-20]。試驗(yàn)水平編碼如表1所示。

表1 各變量水平編碼Table 1 Actual value and code of variable

2.2.2 試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定

秧苗直立度合格率參照（JB/T 10291—2013旱地栽植機(jī)械）測(cè)定。秧苗直立度合格率指秧苗栽植后直立程度，用秧苗莖桿與地面夾角α評(píng)價(jià)[11]。根據(jù)番茄缽苗移栽農(nóng)藝要求，α＞60°即為合格，缽苗直立度合格率計(jì)算公式為:

式中，N1—合格直立株數(shù)（株）；N—測(cè)定總株數(shù)（株）。

株距變異系數(shù)指栽植區(qū)間內(nèi)測(cè)量實(shí)際株距標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值百分比，計(jì)算公式參照文獻(xiàn)[11]。

3 結(jié)果與分析

結(jié)合表1正交試驗(yàn)因素水平表試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)10次，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果（見(jiàn)表2）。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table2 Experiment design and results

3.1 回歸模型建立與檢驗(yàn)

由表3可知，直立度合格率回歸模型極顯著（P＜0.01），失擬項(xiàng)不顯著（P＞0.05），說(shuō)明回歸方程擬合效果良好。各因素及其交互作用對(duì)缽苗分離率影響顯著性為：開(kāi)溝器入土深度、覆土鎮(zhèn)壓器夾角影響極顯著（P＜0.01），前進(jìn)速度影響顯著（P＜0.05）。入土深度與覆土鎮(zhèn)壓器夾角交互作用對(duì)指標(biāo)影響極顯著（P＜0.01）；株距變異系數(shù)回歸模型極顯著（P＜0.01），失擬項(xiàng)不顯著（P＞0.05），說(shuō)明回歸方程擬合效果良好。各因素及其交互作用對(duì)缽苗分離率影響顯著性為：前進(jìn)速度、開(kāi)溝器入土深度影響極顯著（P＜0.01），覆土鎮(zhèn)壓器夾角前進(jìn)速度影響不顯著（P＞0.05）。前進(jìn)速度與覆土鎮(zhèn)壓器夾角交互作用對(duì)指標(biāo)影響顯著（P＜0.05）。

表3 直立度合格率和株距變異系數(shù)方差分析Table 3 Variance analysis of change value of upright degree and coefficients of spacing deviation

將表3中試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析，建立回歸方程，分析試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響。對(duì)直立度合格率方差分析結(jié)果F檢驗(yàn)，剔除不顯著項(xiàng)，得到直立度合格率回歸模型：

對(duì)株距變異系數(shù)方差分析結(jié)果F檢驗(yàn)，剔除不顯著項(xiàng)，得株距變異系數(shù)回歸模型：

3.2 各單因素對(duì)指標(biāo)影響主次分析

利用二次方程系數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果，判斷試驗(yàn)因素對(duì)缽苗分離率指標(biāo)影響程度。經(jīng)計(jì)算，各因素對(duì)指標(biāo)貢獻(xiàn)率如表4所示。

表4 各因素對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)貢獻(xiàn)率Table 4 Importance of effects offactor on response functions

對(duì)缽苗直立度合格率影響主次順序?yàn)椋焊餐伶?zhèn)壓器夾角、開(kāi)溝器入土深度、前進(jìn)速度；對(duì)株距變異系數(shù)影響主次順序?yàn)椋呵斑M(jìn)速度、開(kāi)溝器入土深度、覆土鎮(zhèn)壓器夾角。

3.3 各因素對(duì)性能指標(biāo)影響規(guī)律分析

3.3.1 交互因素對(duì)直立度合格率影響

前進(jìn)速度和入土深度在其他因素處于0水平時(shí)對(duì)直立度合格率影響如圖5a所示。直立度合格率隨前進(jìn)速度呈先增后減趨勢(shì)。前進(jìn)速度為0.76 m·s-1，開(kāi)溝器入土深度為116 mm時(shí)，直立度合格率最大。當(dāng)開(kāi)溝器入土深度過(guò)深，鏈?zhǔn)郊埨徝缦侣鋾r(shí)傾斜范圍大，覆土推力則引起紙缽苗偏斜，直立度合格率下降。

前進(jìn)速度和覆土鎮(zhèn)壓器夾角在其他因素處于0水平時(shí)對(duì)直立度合格率影響如圖5b所示。直立度合格率隨覆土鎮(zhèn)壓器夾角增加呈先增后減趨勢(shì)。前進(jìn)速度為0.76 m·s-1，覆土鎮(zhèn)壓器夾角為43°時(shí)，直立度合格率最大。原因?yàn)楦餐伶?zhèn)壓器夾角過(guò)大，覆土扶正效果不明顯；夾角過(guò)小時(shí)回土量有限，難以保證缽苗直立栽植。

開(kāi)溝器入土深度和覆土鎮(zhèn)壓器夾角在其他因素處于0水平時(shí)對(duì)直立度合格率影響如圖5c所示，直立度合格率隨覆土鎮(zhèn)壓器夾角增加呈先增后減趨勢(shì)。開(kāi)溝器入土深度為116 mm，覆土鎮(zhèn)壓器夾角為43°時(shí)，直立度合格率最大。開(kāi)溝器入土深度對(duì)直立度合格率影響原因?yàn)橹绷⒍群细衤适苋胪辽疃燃案餐伶?zhèn)壓器夾角交互作用，入土深度過(guò)淺時(shí)番茄缽苗移栽時(shí)重心不穩(wěn)定，直立度合格率較低；開(kāi)溝器入土深度超過(guò)適宜范圍后，缽苗下落易傾斜，直立度合格率降低。

3.3.2 交互因素對(duì)株距變異系數(shù)影響

前進(jìn)速度和入土深度在其他因素處于0水平時(shí)對(duì)株距變異系數(shù)影響如圖6a所示。隨開(kāi)溝器入土深度增加，株距變異系數(shù)先增后保持不變；隨前進(jìn)速度增加，株距變異系數(shù)逐漸增大。因?yàn)樵谠灾查g距一定前提下，前進(jìn)速度決定水平方向位移量，前進(jìn)速度越快，投苗滯后導(dǎo)致距離偏差越大，株距變異系數(shù)增加。

前進(jìn)速度和覆土鎮(zhèn)壓器夾角在其他因素處于0水平時(shí)對(duì)株距變異系數(shù)影響如圖6b所示。隨覆土鎮(zhèn)壓器夾角逐漸增大，株距變異系數(shù)呈先減后增趨勢(shì)；且隨前進(jìn)速度增大，株距變異系數(shù)數(shù)值整體增大。因?yàn)楦餐伶?zhèn)壓器夾角過(guò)小，壅土量有限，缽苗未得到有效覆土而產(chǎn)生偏移；隨覆土夾角增大，壅土量增加，覆土效果改善，株距變化量??；夾角達(dá)到適宜范圍后，推動(dòng)大量土壤產(chǎn)生位移和定位誤差，缽苗株距不準(zhǔn)確。

開(kāi)溝器入土深度和覆土鎮(zhèn)壓器夾角在其他因素處于0水平時(shí)對(duì)株距變異系數(shù)影響如圖6c所示。隨覆土鎮(zhèn)壓器夾角逐漸增加，株距變異系數(shù)呈先減后增趨勢(shì)。隨開(kāi)溝器入土深度增加，株距變異系數(shù)先顯著增大后趨于平緩。由于隨入土深度增加，缽苗離地高度增大，開(kāi)溝器回土量增多，缽苗固定位置產(chǎn)生前后移動(dòng)，株距變異系數(shù)大。

圖5 交互作用對(duì)直立度合格率影響Fig.5 Effects of two factors on upright degree rate

圖6 交互作用對(duì)株距變異系數(shù)影響Fig.6 Effect of two factors on coefficients of spacing deviation

3.4 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)番茄鏈?zhǔn)郊埨徝缫圃宰鳂I(yè)要求，以缽苗直立度合格率最大，株距變異系數(shù)最小為優(yōu)化目標(biāo)，在前進(jìn)速度0.33～1.17 m·s-1，開(kāi)溝器入土深度80～160 mm，覆土鎮(zhèn)壓器夾角25～54°約束條件下，優(yōu)化結(jié)果如圖7所示。當(dāng)覆土鎮(zhèn)壓器夾角在40°時(shí)，參數(shù)優(yōu)化組合為：前進(jìn)速度0.6～0.68 m·s-1，開(kāi)溝深度103～116 mm。

優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證，前進(jìn)速度為0.65 m·s-1，覆土鎮(zhèn)壓器夾角為40°，開(kāi)溝器入土深度為110 mm約束條件下開(kāi)展10組驗(yàn)證試驗(yàn)，缽苗直立度合格率均值為90.23%，株距變異系數(shù)均值為9.84%，滿足番茄鏈?zhǔn)郊埨徝缫圃宰鳂I(yè)要求。

圖7 參數(shù)優(yōu)化分析Fig.7 Optimum analysis plot

4 結(jié)論

a.設(shè)計(jì)一種分離輥角度可調(diào)差速式番茄鏈?zhǔn)郊埨徝缫圃栽囼?yàn)臺(tái)，各因素對(duì)缽苗直立度合格率影響依次為覆土鎮(zhèn)壓器夾角、開(kāi)溝器入土深度和前進(jìn)速度；各因素對(duì)株距變異系數(shù)影響依次為前進(jìn)速度、開(kāi)溝器入土深度和覆土鎮(zhèn)壓器夾角。

b.在作業(yè)速度0.6～0.68 m·s-1，開(kāi)溝深度103～116 mm，覆土鎮(zhèn)壓器夾角在40°時(shí)，番茄缽苗移栽直立度合格率大于90%，株距變異系數(shù)小于10%，滿足番茄缽苗移栽技術(shù)要求。

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